红外光学元件的补偿加工技术研究

为了实现红外材料光学元件的高精度制造,文中研究了单点金刚石车削加工(SPDT)技术,并针对面形检测中存在的面形误差较大的问题,提出了采用补偿加工技术,以面形检测数据为基础,反馈修正车削加工程序,再次对红外材料光学元件进行修正加工,有效地提高了其面形精度。实验结果表明:对于某口径为30mm的ZnSe材料二次非球面元件,采用补偿加工技术后,其面形精度从PV=252.4nm和RMS=67.28nm提升到PV=58.3nm和RMS=10.62nm;对于某口径为40mm的Ge材料高次非球面元件,面形精度从PV=181.0nm和RMS=44.0nm提升到PV=60.0nm和RMS=7.35nm;这充分说明了该技术的可靠性,该技术能够有效地提高红外材料光学元件的制造精度。     

大口径测量系统主反射镜装调及精度分析

主镜的面形精度与光轴中心偏差影响经纬仪的成像质量与测量精度.为了(减小)调整装配前后主镜的(变形)面形精度,本文介绍了检测主镜面形误差的几种方法及优缺点.为了保证经纬仪的测量精度.首次提出了大口径主镜光轴中心偏差的调整与检验方法并确定主镜光轴中心偏差调整精度小于0.05mm.     

1 m口径空间相机主望远镜组件设计

为了研究大口径望远镜的性能与稳定性,对1 m口径主望远镜组件进行了材料选取、结构设计与分析计算,给出了完整的设计分析结果.首先,比较常用材料的各项性能,确定1m口径望远镜的主镜材料,并进行轻量化设计.接着,经理论计算确定主镜的支撑方案,并对各个部件进行建模.然后,对主镜组件进行模态分析,验证支撑方案.最后,对主镜组件进行重力变形分析与热分析.轻量化后主镜重76kg,轻量化率达到77%.仿真结果表明:主镜轴向与径向自重变形RMS值分别为8.9 nm与3.5 nm;经i Sight软件优化设计,主镜径向自重变形RMS值从3.5 nm减小到3.3 nm,相比优化前提高了5.7%.当主镜镜体温度梯度为20±0.3℃时,镜面RMS值为10.1 nm,满足望远镜的面形精度要求.     

非球面部分补偿检测系统的误差分析与处理

为了实现非球面通用化、高精度检测,提出非球面部分补偿法,并进行误差分析与处理.在光学设计软件ZEMAX中对部分补偿检测系统进行系统建模并优化,分析器件姿态误差及装调精度对重构非球面面形的影响.通过对系统误差的分析,提出基于系统建模的光线追迹与误差存储相结合的系统误差处理方法,将系统误差归为由系统建模得到检测光路的误差和由误差存储得到不含检测光路的干涉仪系统的误差.通过计算机仿真及实验证明,部分补偿检测系统采用该误差处理方法去除系统误差后,可以由逆向迭代优化重构(ROR)技术重构出更精确的非球面面形.将该非球面面形与采用无像差点法得到的面形对比,结果较吻合,均方根(RMS)精度接近0.02λ(λ为波长).     

自重变形的大型板带轧机机架数控加工补偿

大型板带轧机机架是轧钢设备的核心部件,具有体积与质量大、精度要求高等特点,给数控加工精度控制带来很大的难度。分析引起轧机机架加工后精度丧失的因素,采用有限元法计算机架在加工位置的自重变形,通过侧立采样法进行误差补偿,减少因机架加工位置和实际工作位置不同而产生的自重变形误差。经检测加工的机架尺寸精度及形位精度均符合要求。     

长条形空间反射镜镜体及其支撑结构设计

为了满足长条形空间反射镜的设计要求,从结构材料的选择、镜厚比确定、支撑方式与最佳支撑点位置的选择以及镜体轻量化等方面进行了详细的镜体结构设计。设计了一种空间反射镜柔性支撑结构,以满足温度载荷与装配误差0.05mm工况下镜体面形精度的要求。利用有限元分析软件对反射镜组件进行分析,反射镜组件在Z向1g重力、4℃温升以及0.05mm强制位移三种工况耦合作用下的面形误差峰谷值PV为20.5nm,均方根值RMS为4.75nm,优于PV值小于λ10,RMS值小于λ50的设计指标。组件一阶频率141.83Hz,满足动态刚度要求。组件分析结果表明,反射镜及其支撑结构设计合理,满足空间应用要求。     

检测非球面的准万能补偿器设计

本文利用法线象差补偿法检测非球面面形的理论，研究了准万能补偿器的设计方法，根据Ⅲ级象差理论，通过一实例计算并用光学设计软件优化得到一组准万能补偿器的透境结构参数。该补偿器可用于泰曼－格林干涉仪中，检测一定范围的抛物面，椭圆面和双曲面，其补偿精度达到０．０１λ。     

九子镜多镜望远镜系统仿真方法的研究

在分析光学设计软件模拟光学面型基本原理的基础上,提出借助该软件接口,通过程序设计建立面形文件,仿真九子镜多镜望远镜系统的方法。首先,分析九子镜稀疏孔径结构特征,推导在球面主镜上确定子镜位置的公式。然后,开展程序设计,规定光线经过九子镜稀疏孔径结构光学面的传播属性,建立用户定义面形文件,实现仿真九子镜多镜望远镜系统。最后,给出评价系统的仿真实例。结果表明,仿真方法合理有效,对仿真其他结构的稀疏孔径系统具有重要的参考价值。     

检测非球面的准万能补偿器设计

本文利用法线象差补偿法〔１〕检测非球面面形的理论，研究了准万能补偿器的设计方法。根据Ⅲ级象差理论〔２〕，通过一实例计算并用光学设计软件优化得到一组准万能补偿器的透境结构参数。该补偿器可用于泰曼——格林干涉仪中，检测一定范围的抛物面、椭圆面和双曲面，其补偿精度达到０．０１λ     

空间大口径望远镜可展开式反射镜单元镜支撑技术

本文介绍了下一代空间望远镜的可展开式反射镜的概念及设计方案,并且分析了展开式反射镜单元镜的支撑方案,目的是确定单元镜支撑点数量及排布方式.用有限元方法分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式下各自的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.计算带有支撑座的单元镜在1g惯性载荷作用下,通过调节支承座位移,获得镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm)的面形,表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.     

空间遥感器反射镜组件的设计与有限元分析

针对某空间遥感器反射镜的设计指标要求,分析并优化了反射镜的支撑形式和结构参数,得到了质量为23.7kg,轻量化率达到76.2%的反射镜结构。在反射镜基本构型确定的基础上,设计了镜体的支撑结构,通过合理设计柔性卸载结构满足了反射镜结构系统的动静态刚度和热尺寸稳定性要求。采用有限元软件ABAQUS对反射镜组件进行了精确有限元分析,分析结果表明,在1g重力作用下反射镜的面形精度RMS达到3.66nm,在4℃均匀温升载荷作用下反射镜的面形精度RMS达到4.16nm,在1g重力和4℃均匀温升载荷耦合作用下反射镜的面形精度RMS达到5.51nm,反射镜组件的一阶固有频率为137.51Hz。得到的结果显示该反射镜组件完全满足设计指标要求。     

一种基于有限元分析的柔性支撑结构设计

为了满足反射镜较高的面形精度要求,提出了一种基于有限元分析的柔性支撑结构.首先根据反射镜的设计要求确定柔性支撑的结构形式,然后利用有限元分析软件对反射镜组件进行网格划分并提交运算.分析结果表明,当柔性支撑中镶嵌件膜片厚度为1.5mm、柔性杆十字槽厚度为4mm时,反射镜组件的一阶谐振频率达到206Hz,在1g重力作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到2.5nm、4.4m、25.3nm,在1g量力和4℃温升共同作用下镜面综合面形误差RMS值分别达到15.2nm、17.7nm、28.5nm,各项指标均满足设计要求.动力学响应分析表明,柔性支撑具有较强的抗振能力.     

基于图像的二次反射镜面形质量快速检测方法

针对二次反射塔式太阳能热发电技术中二次反射镜面形精度要求高的特性, 利用2种条纹方向正交的直条纹图案将待测面形分解为2个正交方向的像素偏差量, 通过二次反射镜面形快速解算模型将像素偏差转换成镜面反射法线的偏差角, 实现了待测面面形的快速检测。然后, 对二次反射镜样品进行面形检测, 再将检测结果与基于关节臂测量机的检测结果进行了对比, 结果表明2种检测方法的检测结果相符。     

一种空间遥感器反射镜柔性支撑结构

设计了刚度高、热适应强的反射镜柔性支撑结构。通过有限元模型分析,该支撑结构中的反射镜在±10℃的环境温度变化下,其反射镜面形精度RMS值达到1/50λ(λ=632.8nm)。     

折转光管装校方法研究与误差分析

针对长距离光线折转后光轴平行性精度较低的问题,提出了一种用于高精度折转光管的装校方法。利用数字光电自准直仪、高精度五棱镜和平面反射镜构成了光管准直光线检测系统,对折转光管进行装校。给出五棱镜光线折转的工作原理、自准直光路构建方法、光管装校方法和检测过程中可能存在的误差大小以及修正方法。通过实验证明,利用本文提出的方法及装置可使折转光管光轴平行度达到2″,避免了使用大型平面反射镜装校时,因面形因素产生的误差。检测装置简便、灵巧、精度较高。     

基于数字全息的三维面形测试

三维面形测量一直是质量检测和逆向工程等领域的重要研究课题。基于双曝光数字全息干涉术的原理,设计了数字全息记录测试装置,实现了三维面形的非接触测量;基于双光源法,在物光路采用垂直光轴方向移动透镜的方法,代替了直接倾斜反射镜改变照明光束倾角的方法,实现了对物体面形的不同灵敏度测量。基于相移干涉术的原理,实现了四步数字相移法,省去了压电位移器、位相控制器等硬件,简化了装置,从而实现了数字全息三维面形测试。实验表明,该方法操作简单,测量精度高,并且简化了测试光学系统,其在照明光束角度改变量Δβ=0.0382°时的精度可以达到2μm。     

4m SiC主镜的轻量化及支撑技术

为设计出结构合理的4mSiC轻量化主镜,本文借助于有限元法完成了扇形轻量化主镜的参数设计,确定了90个支撑点的排布方式,并提出了将36组轴向和侧向力促动器共同设置在主镜背面的力分散器上的支撑方案。通过建立轻量化主镜的有限元模型,计算出不同的俯仰角下主镜的重力变形和不同温度载荷下主镜的热变形情况。重力变形分析结果表明主镜光轴水平时,镜面最大变形误差RMS仅为14．7nm,满足设计指标要求;热变形分析预算出1℃的轴向温差引起的镜面面形误差RMS值为278．0nm。若要保证4mSiC轻量化主镜的镜面面形,则必须设计出合理的热控装置,保证主镜的轴向温差不大于0．1℃。     

一种基于三维深度数据的脸部特征检测方法

提出了一种表征曲面上某点局部形状的新方法--曲率符号分布形状描述子（CurSignTration）。根据高斯曲率和平均曲率的符号确定曲面上点的形状分类，对某点邻域内所有点的形状按编码进行统计，将统计结果归一化后得到的直方图作为该点的CurSignTration。CurSignTration描述了三维深度图像中某点邻域的形状分布状况，对给定的三维深度数据点建立了一种除坐标之外的特征信息。这种表征方法对平移、旋转及镜像变换具有不变性。结合基于外观的人脸特征检测方法，用CurSignTration可以对人脸的三维深度图像进行姿态不变的脸部特征检测。对15张三维深度人脸图像的特征点检测结果表明了CurSignTration的有效性。